使用ETNA01PP膜从油混合液中回收溶剂的渗透性建模与膜组件设计

《Chemical Engineering Research and Design》：Permeance modeling and membrane module design for solvent recovery from oil miscella using the ETNA01PP membrane

　　ETNA01PP乙醇和油渗透率通过实验进行了表征。建立了与压力和组成相关的渗透率关联式。恒定渗透率低估膜面积达26.54%。在固定面积下，截留液油分偏差达到34.84%。模型充分性取决于指定的工程终点。引言农工业加工过程中使用溶剂构成了一项重大挑战，因为它增加了生产成本并产生了必须加以缓解的显著环境影响。在植物油提取中，使用大量溶剂将油与种子分离，典型比例为70–75%溶剂对25–30%油。膜技术在此背景下提供了有前景的优势。从过程工程角度看，基于膜的溶剂回收的成功实施不仅需要实验性的膜性能评估，还需要用于过程模拟、放大和设备尺寸计算的可靠模型。多项研究已探讨了膜在植物油混合油溶剂回收中的应用。例如，Li等人（2017）评估了AF2400/PTFE复合膜在植物油生产过程中用于己烷回收，证明了基于膜的溶剂分离的技术可行性和节能潜力。Rangaswamy等人（2021）汇编了膜技术在油脂加工中应用的大量信息，强调了其在工业规模上的优势和局限性。尽管这些研究证明了膜过程在植物油加工中溶剂回收的潜力，但将实验渗透数据转化为可靠的过程设计仍然是一个关键挑战。特别是，简化恒定渗透率假设常用于初步计算，但其对膜组件尺寸计算的影响尚未针对油-溶剂混合油体系进行充分量化。三个关键方面突出：（i）部分溶剂回收及其在过程中的再利用，其中混合构型尤其具有吸引力（Sánchez等人，2021；Subramanian等人，2024）；（ii）通过膜而非蒸馏等传统热过程进行溶剂回收所带来的节能，可降低能耗45–65%；以及（iii）环境影响减少，包括溶剂处理和与传统回收方法相比的节能。例如，己烷是油脂提取中使用最广泛的溶剂，因其成本低、萃取能力强、疏水性、沸点低（65–70 °C）和汽化热低（360 kJ/kg）。乙醇是另一种具有良好性质的溶剂，尽管其汽化热约为840–855 kJ/kg。Firman等人（2020）评估了膜技术与油脂脱溶剂的集成，报道在使用己烷基混合油时能耗降低50%，冷却水和蒸汽需求减少60%。膜性能取决于膜材料、溶剂相容性和截留分子量（MWCO），这些决定了其应用范围和分离效率。本研究分析了含氟聚合物膜ETNA01PP。Ghasemian等人（2015）研究了该膜用于浓缩鱼油中ω-3脂肪酸，评估了温度、压力和搅拌速度的影响。结果表明最佳浓缩条件为36.19 °C、4.82 bar和43.01 rpm。Conidi等人（2017）评估了ETNA01PP用于澄清石榴汁，将其与其他膜（PES 004 H、SelRO MPF-36、Desal GK）进行了比较，MWCO范围为1000至4000 Da。ETNA01PP表现出中等澄清效率（EC% = 94.22）、高水渗透通量（22.16 kg/m2·h·bar）和中等渗透通量，糖和酚类化合物截留率低，使其在抗氧化剂化合物回收方面表现次优。Giacobbo等人（2018）进一步分析了作为截留液再循环速率函数的污染行为。Tapia-Quirós等人（2022）探讨了使用UF、NF和RO膜从葡萄酒和橄榄工业副产品中回收酚类化合物的过程集成，考虑了ETNA01PP用于多酚-多糖分离。由于其组成，ETNA01PP适用于乙醇和水等极性溶剂。使用乙醇混合油既有优点也有缺点。主要缺点是其与己烷相比汽化热高；然而，膜技术的应用可以通过减少送至热回收阶段的溶剂负荷来部分缓解这一限制。其主要优点包括对行业和操作人员均提高操作安全性、减少因蒸发导致的溶剂损失、降低环境影响、防止食品接触石油衍生物质、改善操作人员的健康安全。另一个值得注意的优点是乙醇比己烷具有更高的萃取能力，可以显著提高过程效率。此外，混合油提供了更广泛的应用范围，例如与生物柴油生产集成，具体取决于油脂加工设施的位置。同样重要的是，根据膜化学性质，商业膜通常与乙醇等极性溶剂的相容性优于与己烷等非极性溶剂。Fornasero等人（2013）使用纳滤膜（Alfa Laval的NF-99-HF）分析了乙醇混合油用于溶剂回收和脱酸。结果表明最佳操作条件为压力20 bar、温度35 °C，实现了优异的分离性能，渗透通量为28.3 L/m2·h，游离脂肪酸截留率为70%。尽管膜渗透率对压力和组成的依赖关系已得到充分确立，但简化渗透率假设在不同程度上传播到设备尺寸计算和过程性能预测中的影响，尚未针对乙醇油混合油体系进行充分量化。特别是，当指定最终组成并将膜面积视为可调变量时，恒定渗透率表示可能在设备尺寸计算中引入显著误差。相反，当膜面积固定时，相同的建模简化可能影响预测的出口流量和组成。本研究结合了实验渗透数据和膜组件建模，以支持使用ETNA01PP膜从乙醇大豆油混合油中回收溶剂的过程模拟和设计。实验贡献包括表征该商业膜的乙醇和油渗透率作为跨膜压差和截留液油质量分数的函数，针对目前可用渗透数据有限的膜进料体系。所研究的压力-组成域被密集采样，为开发和比较现象学、解析和数据驱动的渗透率关联式提供了实验基础。除了开发这些关联式，本研究还定量评估了恒定和变渗透率表示在两个互补模拟场景下如何影响膜组件计算。在第一个场景中，指定最终截留液油质量分数并计算所需膜面积。在第二个场景中，膜面积固定并确定所得出口流量和组成。因此，本工作的贡献源于以下方面的结合：ETNA01PP膜在乙醇大豆油混合油中体系特异性实验渗透率数据；在密集采样操作域上渗透率关联式的开发和比较；以及定量评估不同渗透率表示在不同工程约束下如何影响设备尺寸计算和过程性能计算。材料与方法部分材料粗大豆油由位于阿根廷圣菲北部的大豆油加工厂提供。采用商业复合氟聚合物膜（ETNA01PP，Alfa Laval）。根据供应商规格，该膜标称截留分子量（MWCO）> 1000 Da，最高操作pH为11，最大跨膜压差（TMP）为10 bar，最高操作温度为60 °C。使用乙醇（96% v/v）作为溶剂。设备渗透实验在……原料表征用于制备混合油的粗大豆油的理化性质进行了表征，以确保与典型工业原料的一致性。水分含量为0.09 ± 0.01%wt，酸度为1.62 ± 0.07%wt，以油酸表示。这些值在粗大豆油标准质量范围内，代表工业操作条件。基于该表征，通过将粗油溶解于乙醇中制备混合油溶液……结论本研究通过实验表征了商业ETNA01PP膜用于从乙醇大豆油混合油中回收溶剂的乙醇和油渗透率。结果量化了跨膜压差和截留液油质量分数对组分渗透率的联合效应，并为随后在膜组件模拟中实现的关联式提供了实验基础。由于浓差极化、膜压实和初期污染……CRediT作者贡献声明Daniela Soledad Laoretani：写作–审阅与编辑。Danilo Alexander Figueroa Paredes：写作–初稿。Carlos Daniel Fischer：写作–审阅与编辑。利益冲突声明作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。致谢我们感谢阿根廷科学技术研究理事会（CONICET，西班牙语首字母缩写）在PIP 0498项目框架内提供的财务支持。Daniela Soledad Laoretani|Danilo Alexander Figueroa Paredes|Carlos Daniel Fischer